I ricercatori della Brown University hanno fatto una scoperta sul modo in cui le cose si uniscono su scale minuscole che potrebbero essere utili nella progettazione di dispositivi su micro e nanoscala.

In una serie di documenti, l'ultimo dei quali è pubblicato in Rapporti scientifici , i ricercatori mostrano che minuscole differenze nella rugosità di una superficie possono causare cambiamenti sorprendenti nel modo in cui due superfici aderiscono l'una all'altra. Alcuni livelli di rugosità, gli studi mostrano, può far sì che le superfici esercitino diverse quantità di forza l'una sull'altra a seconda che vengano spinte insieme o separate.

"Le persone lavorano sull'adesione da oltre 100 anni, ma nessuna delle teorie esistenti ha catturato questo, " ha detto Weilin Deng, un dottorato di ricerca studente alla Brown e l'autore principale dello studio. "Nel corso di questo lavoro, abbiamo dimostrato con esperimenti che questo esiste davvero e ora abbiamo un quadro teorico che lo cattura".

È un'intuizione sottile che potrebbe avere importanti implicazioni per l'ingegneria su nanoscala, dicono i ricercatori. A scale molto piccole, domina una famiglia di forze adesive chiamate forze di van der Waals. Quindi avere una comprensione più completa di come funzionano queste forze è fondamentale.

"Alle scale sub-micrometriche, le forze adesive diventano dominanti, mentre la forza dovuta alla gravità è essenzialmente priva di significato al confronto, "ha detto Haneesh Kesari, un assistente professore alla Brown's School of Engineering che ha supervisionato la ricerca. "Ecco perché piccoli insetti come mosche e formiche possono scalare pareti e soffitti senza problemi. Quindi, da un punto di vista pratico, se vogliamo ingegnerizzare a quelle scale, abbiamo bisogno di una teoria più completa di come le forze adesive deformano e modellano le superfici dei materiali, e insieme alla rugosità della superficie influenzano il modo in cui le superfici si attaccano, e scivolano gli uni sugli altri."

Questa linea di ricerca è iniziata dieci anni fa, quando Kesari stava conducendo esperimenti per testare l'adesione su piccola scala. "Questi esperimenti erano il modo più elementare per studiare il problema, "Ha detto Kesari. "Semplicemente uniamo due solidi e li separiamo di nuovo mentre misuriamo le forze tra le due superfici."

Per farlo su scala micro, Kesari ha utilizzato un apparato di microscopio a forza atomica (AFM). Un AFM è un po' come un minuscolo giradischi. Un cantilever con un piccolo ago appeso a un'estremità viene trascinato su una superficie. Misurando quanto il cantilever oscilla su e giù, i ricercatori possono mappare le caratteristiche fisiche di una superficie. Per gli esperimenti di Kesari, ha modificato leggermente la configurazione. Ha sostituito l'ago con una minuscola perlina di vetro e ha usato il cantilever per alzare e abbassare semplicemente la perlina, portandola a contatto con un substrato e poi tirandola indietro più e più volte. Il substrato era costituito da PDMS, un materiale polimerico morbido spesso utilizzato nei sistemi ingegnerizzati su microscala. Il cantilever misurava le forze che le due superfici esercitavano l'una sull'altra.

Gli esperimenti hanno mostrato che quando il tallone e il PDMS si avvicinavano o si toccavano appena, c'era una forza di attrazione tra i due. Quando i due furono completamente in contatto e il cantilever continuò a spingere verso il basso, la forza si capovolse:i due solidi stavano cercando di spingersi via l'un l'altro. Quando il cantilever fu rialzato e i due solidi si allontanarono, la forza attrattiva ritornò finché il divario fu abbastanza grande da far scomparire del tutto la forza.

Quei risultati non sono stati sorprendenti. Erano in linea con il modo in cui di solito si pensa che l'adesione funzioni. La parte sorprendente era questa:la quantità di forza attrattiva tra il tallone e il substrato PDMS era diversa a seconda che il cantilever fosse in salita o in discesa.

"Questo è stato molto sorprendente per me, "Ha detto Kesari. "Hai la stessa identica distanza di separazione, ma le forze sono diverse durante il caricamento rispetto allo scarico. Non c'era nulla nella letteratura teorica per spiegarlo."

Kesari ha eseguito l'esperimento in diversi modi leggermente diversi per escludere fattori confondenti, come l'aspirazione a base di liquidi tra le due superfici o una sorta di lacerazione dei polimeri PDMS. Avendo dimostrato che l'effetto che ha rilevato non era un artefatto di alcun processo noto, Kesari ha cercato di capire cosa stava succedendo.

La risposta si è rivelata riguardare la rugosità superficiale, minuscole quantità di rugosità che sarebbero state insignificanti negli stessi materiali su scale più grandi o in materiali più rigidi sulle stesse scale. Kesari ei suoi studenti hanno iniziato a creare un modello matematico di come questa rugosità potrebbe influenzare l'adesione.

Globale, la teoria prevede che la tenacità dell'interfaccia, il lavoro richiesto per separare due superfici, aumenti costantemente man mano che la rugosità aumenta fino a un certo punto. Dopo quel punto di massima rugosità, la durezza diminuisce rapidamente.

"Questa teoria completa aiuta a verificare che ciò che stavamo vedendo nei nostri esperimenti fosse reale, "Ha detto Kesari. "Ora è anche qualcosa che può essere utilizzato nell'ingegneria su scala nanometrica".

Ad esempio, lui dice, una comprensione completa dell'adesione è utile nella progettazione di sistemi microelettromeccanici, dispositivi con parti mobili su scala micro e nanometrica. Senza tenere adeguatamente conto di come quelle minuscole parti possano attaccarsi e staccarsi, possono facilmente macinarsi a pezzi. Un'altra applicazione potrebbe essere l'uso di modelli su scala nanometrica delle superfici. Potrebbe essere possibile utilizzare superfici nano-modellate per realizzare pannelli solari che resistono all'accumulo di polvere, che li priva della loro efficienza.

"C'è molto che possiamo fare ingegnerizzando su micro e nanoscala, "Ha detto Kesari. "Ma sarà d'aiuto se avremo una migliore comprensione della fisica che è importante a quelle scale.